台车式电阻炉自动化控制系统设计
孙瑜
马钢第三钢轧总厂H型钢点检室
摘要：台车式电阻炉（下文中简称电阻炉）主要被应用于金属加工的热处理工艺当中，
在轧钢厂中的主要用途为轧辊辊套的热装加热。其控制系统的主要控制对象是炉温，通过对电阻加热棒电源电压的控制达到控制炉温的目的。传统的电阻炉控制系统中普遍采用温度控制仪与继电器接触器控制线路相结合的控制方法。但是由于温度控制仪存在功能单一、操作繁琐、实际的炉温与加热时间信息不易读取等缺点，而继电器接触器控制方式存在隐患故障点多，工作不可靠，等缺点。所以目前国内已经有一些厂家在利用可编程序控制器(下文中简称PLC)以及人机界面设备（下文中简称HMI）来提升电阻炉的自动化程度。然而在温控方面他们任然在使用温度控制仪来进行炉温控制。本文所阐述的是一种利用西门子的S7-200PLC以及西门子的SMART 700触摸屏所具有的特殊功能来具体实现电阻炉的包括温度控制在内的全自动化控制方法。
关键词：可编程序控制器（PLC）、人机界面（HMI）、比例积分微分调节（PID）、脉宽调制(PWM)、 静态继电器（SSR）
一、前言
目前H型钢厂使用的台车式工业电阻炉控制系统陈旧，故障率高，特别是温度控制仪工作可靠性差，曾多次出现炉温不受控故障。为此我才产生了对电阻炉的控制系统进行改造设计的想法。由于我对西门子的工控产品比较熟悉，所以就在西门子的小型自动控制设备中寻找合适的产品。在充分考察过后我发现运用S7-200PLC与西门子最新的SMART 700触摸屏相配合就能够非常好的解决这个问题。
二、正文
1.电阻炉控制任务分析：
电阻炉的控制过程：首先电阻炉操作员要根据工件的加热要求，在温控仪中编制加热程序，之后操作员要将工件放置在台车上并启动台车将工件送入炉中，在关闭炉门和启动风机之后操作员启动温控仪运行加热程序，在温控仪的控制下完成加热程序之后会自动停止加热。
根据以上简述的对电阻炉的控制要求，可以看出电阻炉控制系统的任务大体上可以分成闭环炉温控制和对炉门、台车以及风机电动机的一般逻辑控制两部分。电阻炉的闭环温度控制和HMI操作画面的设计是本设计的重点任务，而对炉门、台车、循环风机的控制相
1
对比较简单。
2.控制系统硬件构架：
SIMATIC HMI SMART 700触摸屏
三相静态继电器 三相静态继电器
炉门 电阻加热棒 K型风机 热电偶 风机 电阻加热棒 台车
热电偶模块 台车电阻炉本体
图1 控制系统构架图
* 该系统由一台西门子S7-200PLC和一块SMART 700触摸屏构成了自动化控制系统的主 体。
我选用的是CPU226型PLC 该PLC有两个9针D型数据接口方便在设备运行时在线调试。CPU主机由DC24V供电，具有24个DC24V输入点和16个DC24V（固态MOSFET）输出点，每个输出点额定电流为0.75A,这些技术参数正合适直接驱动三相静态继电器。它具有8个PID 回路，可以用于温度闭环控制。
HMI设备选择的是西门子的SMART 700触摸面板，该面板具有趋势视图、配方视图和报警视图功能，在该设计中能得到充分的运用。
* 为了读取炉温的实际值，我为PLC增加了一块四输入的EM231热电偶模块。该模块有专门的冷端补偿电路，用于补偿基准温度和模块处温度之间的温度差，该模块可以选择使用包括K型在内的多种热电偶、电压范围：+/-80mV输入分辨率为0.1℃(15位加符号位)、模块更新时间405ms 、数字格式：-27648到+27648 、需要外接DV24V电源。
* 使用交流三相静态继电器作为脉宽调制（下文简称PWM）的功率开关元件，它将根据PLC输出的脉宽调制信号通断电阻加热棒的供电。由于电加热器负载初始接通瞬间会出现的浪
2
涌电流可达3倍的稳态电流，因此，三相静态继电器降额20%-30%使用。根据我厂使用的电阻加热器的稳态电流为120A，可以选择额定输出电流为150A-170A的三相交流过零触发静态继电器作为开关功率元件。
* 温度传感器选用K型热电偶，K型热电偶在EM231热电偶模块中的适用范围为从-200℃到+1300℃，其对应的值是从-2000到+13000。 对于我厂电阻炉的最高加热温度不会高于400 ℃，完全可以适用。
3.系统设计所需软件：
3.1 S7-200PLC 编程软件STEP 7-Micro/WIN v4.0
3.2 Smart 700 触摸屏组态软件 WinCC Flexible 8.0 sp4 3.3 电气图绘图软件 EPLAN Electric P8 1.9
4.闭环温度控制的实现方法：
放弃使用温度控制仪，而是利用S7-200PLC内部提供的PID-PWM控制指令来完成闭环温度控制。
操作员将加热程序输入HMI并传送到PLC的专用数据区内。 在PLC内进行PID调节并以PWM方式驱动三相静态继电器 无触点接触器 电加热器 热电偶 热电偶模块采样热电偶检测的温度值 图2 温度闭环控制流程图
要实现以上控制就需要完成以下控制环节： 4.1 加热程序输入的实现方法:
方法是利用HMI的配方功能。首先是在HMI触摸屏上组态一个配方画面，该画面可以让操作员根据工件的加热程序输入多段升温和保温参数，每段的参数都包括设定温度、温度升温时间和保温时间。在各段程序输入完毕后，经过检查无误，操作员便可以将整个加热程序传送到PLC中以备使用。 4.2 温度闭环控制的实现：
在PLC中通过PID指令向导生成用于温度控制的PID调节子程序。在PID指令向导中将PID调节器的输出类型指定为“数字量”将占空比周期设为“10秒”。当PID调节器开始工作后，将当前段的加热温度设定值作为给定值，热电偶模块的采样值作为实际反馈值，然后进行PID运算，并输出脉宽调制控制信号给PLC的输出点，该输出可以直接控制三相静
3
态继电器的通断，从而实现对电阻加热棒的输出功率的调整。
5.人机界面的组织与实现方法：
对于电阻炉的所有操作都是在Smart 700触摸屏上组态的6个操作画面上进行的。
图3系统初始画面 5.1 一般操作：
图4 一般操作画面
在该画面中可以对炉门、台车以及风扇进行手动操作。操作员可以通过该画面掌握实时的炉温、加热器的工作情况、炉内风机是否启动、台车及炉门是否触及限位的信息。
4
5.2加热程序预设：
加热程序预设是利用触摸屏的配方功能来实现的。首先用加热程序的三个数据要素：设定温度、升温时间、保温时间来组态配方数据的结构，然后再根据不同工件的加热要求建立他们的数据记录。在加热前要将该工件的配方数据记录以单步的方式从HMI完整的传送到PLC里专为加热程序开辟的数据区中，以备PLC程序调用。
图5 程序选择画面
在该画面中可以进行程序的新建、删除、打开、传送到PLC的操作。
图6 程序录入画面
在该画面中进行程序的参数录入和修改操作。
5
电阻炉PLC - HMI系统设计方案
